当前位置 : X-MOL首页行业资讯 › 台湾中正大学朱延和教授课题组近年研究工作介绍

台湾中正大学朱延和教授课题组近年研究工作介绍

朱延和教授简介


朱教授,毕业于台湾清华大学化学系(1979年),理学硕士毕业于台湾大学生化科学研究所,为了追随其科学梦,申请了美国哈佛大学化学系博士班。当年的朱教授不论他乡是否有特殊节日或庆典,都非常积极与敬业地钻研在自己的科学研究中,甚至要求独立设计与完成一个课题,并发表于国际期刊中。指导教授George M. Whitesides也对他赞誉有加,历经五年半的努力完成了博士学位,其主要专业研究为以毛细管电泳进行生物分子识别,并首创“亲和性毛细管电泳(ACE)”;随后在美国哈佛大学医学院(指导教授Christopher T. Walsh)与美国东北大学(指导教授Barry L. Karger)担任博士后研究员,进行分子克隆与组合化学的研究。结束了博士后研究员工作后,朱教授前往美国俄亥俄州立大学化学系任职助理教授,主要的课题是以质谱方法来进行组合化学的研究,1999年受聘于中正大学化学暨生物化学系并服务至今。


朱教授在研究与教学工作上凭借努力不懈的精神表现皆相当出色,多次荣获学校颁发的奖项,如近期的“杰出研究奖”、“研究杰出特聘教授奖”及数十张“优良教学”感谢状的肯定,此外还不断获得台湾科技部的经费资助。朱教授是一位勤勉不懈与终身学习的学者,其专业领域涉及电泳、组合化学、亲和性萃取、生物分子识别与功能性离子液体的设计、合成及应用,并首创“亲和性离子液体(AIL)”。

朱延和教授


以下笔者将重点介绍朱教授近五年来的研究课题——离子液体,并针对此课题的研究工作整理如下:


离子液体(ionic liquids, ILs)的结构具有多样性与可调控的特性,自2000年起成为深受科学家们青睐的新颖材料(图1)。而离子液体具有可忽略的蒸气压,可以应用于亲和性的萃取研究,还具有高导电度与较宽的电化学窗口,可以广泛地用于电解液的研究。此外,离子液体也具有良好的热力学与化学稳定性[1]、低熔点、高极性和路易斯酸性等,从而促使离子液体应用于有机合成、催化化学反应和螯合剂等。朱教授对于离子液体的设计与合成经验丰富,其课题组将离子液体广泛地应用于气体分子检测、特定有机天然产物的合成与亲和性萃取生化分子等。

图1. 离子液体文章发表的数量* (*document types: book、journal、letter and review; languages: English; data search archived until 8/14/2018 from SciFinder)


(一)气体分子检测


压电石英微天秤(quartz crystal microbalance, QCM)是一种极为敏感、检测快速且成本低、收效大的分析仪器,朱教授的构想有别于文献上诸多学者采用的聚合物材料,设计与开发出具有特殊功能性的离子液体涂布于石英芯片上作为检测材料(如图2所示),并以化学反应为基础进行挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)的检测。环境中有害气体分子的检测是相当重要的课题,朱教授利用不同官能团的离子液体达到选择性检测有机气体分子的目的,笔者将朱教授近年来开发的感应型离子液体(sensing ionic liquids, SILs)的化学结构及其研究归纳于图3与表1中。

图2. QCM芯片与气体检测示意图


图3. 感应型离子液体SIL 1-24


表1. 感应型离子液体针对有机挥发性化合物气体的检测与化学反应类型


图3和表1归纳了朱教授近年来在气体分子检测方面的研究成果,他发展了更加稳定的双环咪唑作为核心结构[1]并逐步官能化烷基侧链[2-4, 6, 8]。此外,他还利用制备步骤较为简易的方法开发出功能性的金属离子液体 [5, 7]而设计出多样性的离子液体针对不同的气体分子以特定化学反应进行检测,大幅度提高了传统聚合物材料的识别能力。实验结果列举如图4[7]他们将感应型离子液体(33 nmol)涂布于芯片上,针对胺类气体进行检测,结果表明朱教授设计的含有强吸电子TNP(trinitrophenyl)基团的SIL 16极具反应性。SIL 15SIL 16的检测灵敏度分别为8.0和5.4 ppb。

图4. 丙胺气体分子(216 ppb)的化学选择性检测 [7]


该研究通过离子液体稳定Meisenheimer配合物的结构,使产物稳定地停留在反应中间体,因而表现出明显的颜色。该课题组将其应用于显色,除了可作为隐形墨水,也可以作为携带式的检测组件(图5)。

图5. SIL 16涂布于打印纸上以丙胺气体分子突显“CCU”字样[7]


更详细的QCM气体分子检测研究结果请阅读参考文献[2-8]


(二)特定有机天然产物的合成


朱教授也致力于天然产物合成的研究。由于离子液体具有催化特性与良好的微波吸收性,因此该课题组采用发展的离子液体[b-3C-im][NTf2]与[R-4C-tr][NTf2]作为溶剂来实现高产率天然产物或类似物的合成(如tryptanthrin和batracylin),并适时进行活性的检测[9, 10]目前文献上针对batracylin的合成相当耗时、繁琐,而且产率较低,朱教授课题组以快速、高产率且一锅法(one-pot)的方式制备了batracylin(图6)及其衍生物(图7)[9]

图6. 一锅法合成药物batracylin (1) [9]


图7. batracylin衍生物8-16的结构与合成 [9]


生物活性的探讨如图8所示,他们证明化合物11114比对照化合物camptothecin(CPT)抗hTop I展现出更强的抑制活性(分别为92%、91%、82%和75%)。

图8. batracylin及其衍生物对hTop1抑制活性的分析[9]


此外,该课题组还采用自行研发的离子液体设计了对天然产物tryptanthrin全新的合成方法,快速且产率高,可以作为药物发现与进一步发展有效抗肿瘤试剂的借鉴 [10]

图9. 利用离子液体搭配微波辅助合成tryptanthrin [10]


(三)亲和性萃取生化分子


另一方面,该课题组利用离子液体的极性、疏水性与可调控等特性,将其用作亲和性萃取的溶剂。亲和性离子液体(affinity ionic liquid, AIL)能够专一性地螯合Cu(II)离子并基于分子识别的功能进行化学选择性萃取,将含有组氨酸的肽一步达到亲和性分离与纯化的目的。其结果如图10所示,含有铜离子的离子液体可以将肽成功地萃取至离子液体层,并可通过高浓度的酸进行反萃取,释放胜肽达到纯化的效果 [10]

图10. 亲和性萃取Dab-RHHHH-NH2五肽链(pH 4.4)[10]


此外,该课题组还发展了一系列冠状离子液体CIL 1-6(1,2,3-triazolium-based, crowned ionic liquids)(图11),可选择性识别及亲和性键合肽和蛋白质,亲和性键合的有效性归因于离子态的CILs热力学有利于铵离子配合物以及肽离子通过离子溶剂发生溶剂化这两个因素 [11]

图11. 冠状离子液体CIL 1-6的结构[11]


该课题组针对六个CILs对含有赖氨酸的六肽酰胺的亲和性萃取能力进行研究,发现CILs萃取肽的效果随着离子液体的环大小而增加(图12),其中以CIL 6进行测试,在六肽链中不同位置引入一个赖氨酸,结果显示CIL 6与这六种N-dabsylated mono-K肽的亲和性键合相互作用能力相当[11];文中也探讨了精氨酸的一系列结果,通过图13可以清楚得知CIL 6能够选择性地萃取精氨酸六肽链,而CIL 2则无法成功实现。

图12. 疏水性CIL 1-6亲和性萃取水层中含有赖氨酸的六肽酰胺[11]


图13. 以CIL 2CIL 6亲和性萃取Dab-AKKKKK-NH2六肽链[11]


以上朱延和教授课题组近期研究的介绍,如欲了解更多详细的内容可参考下列文献:

[1] Kan, H.-C.; Tseng, M.-C; Chu, Y.-H. Tetrahedron, 2007, 63, 1644-1653.

[2] Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Chem. Commun., 2010, 46, 2983-2985.

[3] Liu, Y.-L.; Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Chem. Commun., 2013, 49, 2560-2562.

[4] Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2014, 86, 1949-1952.

[5] Li, H.-Y.; Hsu, T.-H.; Chen, C.-Y.; Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Analyst, 2015, 140, 6245-6249.

[6] Hsu, T.-H.; Chiang, S.-J.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2016, 88, 10837−10841.

[7] Li, H.-Y.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2017, 89, 5186−5192.

[8] Chen, C.-Y.; Li, K.-H.; Chu, Y.-H.Anal. Chem., 2018, 90, 8320–8325.

[9] Tseng, M.-C.; Lai, P.-Y.; Shi, L.; Li, H.-Y.; Tseng, M.-J.; Chu, Y.-H. Tetrahedron, 2014, 70, 2629-2633.

[10] Li, H.-Y.; Chen, C.-Y.; Cheng, H.-T.; Chu, Y.-HMolecules, 2016, 21, 1355.

[11] Tseng, M.-C.; Yuan, T.-C.; Li, Z.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2016, 88, 10811-10815.

[12] Cheng, C. I.; Chang, Y.-P.; Chu, Y.-H. Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 1947-1971.


朱延和

http://www.x-mol.com/university/faculty/38307

网站及其Email

http://deptche.ccu.edu.tw/faculty/yhc.html

cheyhc@ccu.edu.tw


本文由李欣怡供稿(lanbarla0708@gmail.com,欢迎来信讨论)


繁体中文版本


臺灣中正大學朱延和教授課題組近年研究工作介紹


朱延和教授簡介


朱教授,畢業于臺灣清華大學化學系(1979年),理學碩士畢業于臺灣大學生化科學研究所,為了追隨其科學夢,申請了美國哈佛大學化學系博士班。當年的朱教授不論他鄉是否有特殊節日或慶典,都非常積極與敬業地鑽研在自己的科學研究中,甚至要求獨立設計與完成一個課題,並發表於國際期刊中。指導教授George M. Whitesides也對他讚譽有加,歷經五年半的努力完成了博士學位,其主要專業研究為以毛細管電泳進行生物分子識別,並首創“親和性毛細管電泳(ACE)”;隨後在美國哈佛大學醫學院(指導教授Christopher T. Walsh)與美國東北大學(指導教授Barry L. Karger)擔任博士後研究員,進行分子克隆與組合化學的研究。結束了研究員工作後,朱教授前往美國俄亥俄州立大學化學系任職助理教授,主要的課題是以質譜方法來進行組合化學的研究,1999年受聘于中正大學化學暨生物化學系並服務至今。


朱教授在研究與教學工作上憑藉努力不懈的精神表現皆相當出色,多次榮獲學校頒發的獎項,如近期的“傑出研究獎”、“研究傑出特聘教授獎”及數十張“優良教學”感謝狀的肯定,此外還不斷獲得臺灣科技部的經費補助。朱教授是一位勤勉不懈與終身學習的學者,其專業領域涉及電泳、組合化學、親和性萃取、生物分子識別與功能性離子液體的設計、合成及應用,並首創“親和性離子液體(AIL)”。

朱延和教授


以下筆者將重點介紹朱教授近五年來的研究課題——離子液體,並針對此課題的研究工作整理如下:


離子液體(ionic liquids, ILs)的結構具有多樣性與可調控的特性,自2000年起成為深受科學家們青睞的新穎材料(圖1)。而離子液體具有可忽略的蒸氣壓,可以應用於親和性的萃取研究,還具有高導電度與較寬的電化學視窗,可以廣泛地用於電解液的研究。此外,離子液體也具有良好的熱力學與化學穩定性[1]低熔點、高極性和路易士酸性等,從而促使離子液體應用於有機合成、催化化學反應和螯合劑等。朱教授對於離子液體的設計與合成經驗豐富,其課題組將離子液體廣泛地應用于氣體分子感測、特定有機天然產物的合成與親和性萃取生化分子等。

圖1. 離子液體文章發表的數量* (*document types: book、journal、letter and review; languages: English; data search archived until 8/14/2018 from SciFinder)


(一)氣體分子感測


壓電石英微天秤(quartz crystal microbalance, QCM)是一種極為敏感、具有快速偵測且成本低、收效大的分析儀器,朱教授的構想有別於文獻上諸多學者採用的聚合物材料,設計與開發出具有特殊功能性的離子液體塗布于石英晶片上作為偵測材料(如圖2所示),並以化學反應為基礎進行揮發性有機化合物(volatile organic compounds, VOCs)的偵測。環境中有害氣體分子的檢測是相當重要的課題,朱教授利用不同官能團的離子液體達到選擇性檢測有機氣體分子的目的,筆者將朱教授近年來開發的感測型離子液體(sensing ionic liquids, SILs)的化學結構及其研究歸納於圖3與表1中。

圖2. QCM晶片與氣體偵測示意圖


圖3. 具有功能性感測型的離子液體SIL 1-24


表1. 感測型離子液體針對有機揮發性化合物氣體的偵測與化學反應類型


圖3和表1歸納了朱教授近年來在氣體分子感測方面的研究成果,他發展了更加穩定的雙環咪唑作為核心結構[1]並逐步官能化烷基側鏈 [2-4, 6, 8]此外,他還利用製備步驟較為簡易的方法開發出功能性的金屬離子液體 [5, 7]而設計出多樣性的離子液體針對不同的氣體分子以特定化學反應進行感測,大幅度提高了傳統聚合物材料的識別能力。實驗結果列舉如圖4[7]他們將感測型離子液體(33 nmol)塗布於晶片上,針對胺類氣體進行偵測,結果表明朱教授設計的強吸電子TNP(trinitrophenyl)基團的SIL 16極具反應性。SIL 15SIL 16的偵測靈敏度分別為8.0和5.4 ppb。

圖4. 丙胺氣體分子(216 ppb)的化學選擇性偵測 [7]


該研究通過離子液體穩定Meisenheimer配合物的結構,使產物穩定地停留在反應中間體,因而表現出明顯的顏色。該課題組將其應用於顯色,除了可作為隱形墨水,也可以作為攜帶式的感測元件(圖5)。

圖5. SIL 16塗布於打印紙上以丙胺氣體分子突顯“CCU”字樣 [7]


更詳細的QCM氣體分子感測研究結果請參考下方文獻 [2-8]


(二)特定有機天然產物的合成


朱教授也致力於天然產物合成的研究。由於離子液體具有催化特性與良好的微波吸收性,因此該課題組採用發展的離子液體[b-3C-im][NTf2]與[R-4C-tr][NTf2]作為溶劑來實現高產率天然產物或類似物的合成(如tryptanthrin和batracylin),並適時進行活性的檢測[9, 10]目前文獻上針對batracylin的合成相當耗時、繁瑣,而且產率較低,朱教授課題組以快速、高產率且一鍋法(one-pot)的方式製備了batracylin(圖6)及其衍生物(圖7)[9]

圖6. 一鍋法合成藥物batracylin (1) [9]


圖7. batracylin衍生物8-16的結構與合成 [9]


生物活性的探討如圖8所示,他們證明化合物11114比對照化合物camptothecin (CPT)抗hTop I展現出更有效能的抑制活性(分別爲92%、91%、82%和75%)。

圖8. batracylin及其衍生物對hTop1抑制活性的分析 [9]


此外,該課題組還採用自行研發的離子液體設計了對天然產物tryptanthrin全新的合成方法,快速且產率高,可以作為藥物發現與進一步發展有效抗腫瘤試劑的借鑒[10]

圖9. 利用離子液體搭配微波輔助合成tryptanthrin [10]


(三)親和性萃取生化分子


另一方面,該課題組利用離子液體的極性、疏水性與可調控等特性,將其用作親和性萃取的溶劑。親和性離子液體(affinity ionic liquid, AIL)能夠專一性地螯合Cu(II)離子並基於分子識別的功能進行化學選擇性萃取,將含有組氨酸的肽一步達到親和性分離與純化的目的。其結果如圖10所示,含有銅離子的離子液體可以將肽成功地萃取至離子液體層,並可通過高濃度的酸進行反萃取,釋放勝肽達到純化的效果 [10]

圖10. 親和性萃取Dab-RHHHH-NH2五肽鏈(pH 4.4)[10]


此外,該課題組還發展了一系列冠狀離子液體CIL 1-6(1,2,3-triazolium-based, crowned ionic liquids)(圖11),可選擇性識別及親和性鍵合肽和蛋白質,親和性鍵合的有效性歸因於離子態的CILs熱力學有利於銨離子配合物以及肽離子通過離子溶劑發生溶劑化這兩個因素[11]

圖11. 冠狀離子液體CIL 1-6的結構[11]


該課題組針對六個CILs對含有賴氨酸的六肽醯胺的親和性萃取能力進行研究,發現CILs萃取肽的效果隨著離子液體的環大小而增加(圖12),其中以CIL 6進行測試,在六肽鏈中不同位置引入一個賴氨酸,結果顯示CIL 6與這六種N-dabsylated mono-K肽的親和性鍵合相互作用能力相當[11];文中也探討了精氨酸的一系列結果,通過圖13可以清楚得知CIL 6能夠選擇性地萃取精氨酸六肽鏈,而CIL 2則無法成功實現。

圖12. 疏水性CIL 1-6親和性萃取水層中含有賴氨酸的六肽醯胺 [11]


圖13. 以CIL 2CIL 6親和性萃取Dab-AKKKKK-NH2六肽鏈 [11]


以上朱延和教授課題組近期研究的介紹,如欲瞭解更多詳細的內容可參考下列文獻:

[1] Kan, H.-C.; Tseng, M.-C; Chu, Y.-H. Tetrahedron, 2007, 63, 1644-1653.

[2] Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Chem. Commun., 2010, 46, 2983-2985.

[3] Liu, Y.-L.; Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Chem. Commun., 2013, 49, 2560-2562.

[4] Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2014, 86, 1949-1952.

[5] Li, H.-Y.; Hsu, T.-H.; Chen, C.-Y.; Tseng, M.-C.; Chu, Y.-H. Analyst, 2015, 140, 6245-6249.

[6] Hsu, T.-H.; Chiang, S.-J.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2016, 88, 10837−10841.

[7] Li, H.-Y.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2017, 89, 5186−5192.

[8] Chen, C.-Y.; Li, K.-H.; Chu, Y.-H.Anal. Chem., 2018, 90, 8320–8325.

[9] Tseng, M.-C.; Lai, P.-Y.; Shi, L.; Li, H.-Y.; Tseng, M.-J.; Chu, Y.-H. Tetrahedron, 2014, 70, 2629-2633.

[10] Li, H.-Y.; Chen, C.-Y.; Cheng, H.-T.; Chu, Y.-HMolecules, 2016, 21, 1355.

[11] Tseng, M.-C.; Yuan, T.-C.; Li, Z.; Chu, Y.-H. Anal. Chem., 2016, 88, 10811-10815.

[12] Cheng, C. I.; Chang, Y.-P.; Chu, Y.-H. Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 1947-1971.


朱延和

http://www.x-mol.com/university/faculty/38307

網站及其Email

http://deptche.ccu.edu.tw/faculty/yhc.html

cheyhc@ccu.edu.tw


本文由李欣怡供稿(lanbarla0708@gmail.com,歡迎來信討論)


如果篇首注明了授权来源,任何转载需获得来源方的许可!如果篇首未特别注明出处,本文版权属于 X-MOLx-mol.com ), 未经许可,谢绝转载!

英语语言编辑翻译加编辑
开学季购书享好礼新
有奖问卷征集新
材料学领域约200份+SCI期刊
定位全球科研英才
中国图象图形学学会合作刊
东北石油大学合作期刊
动物源性食品遗传学与育种
专业英语编辑服务
上海交大
北京大学
西湖大学
多次发布---上海中医药
中科大
杜克大学
复旦大学
中科大
新加坡
南科大
ACS材料视界
down
wechat
bug